Messung von CO2-Säulengehalten in der Atmosphäre mit Lidar-Methoden

Eine der fundamentalen Fragen der aktuellen Wissenschaft ist die
Entschlüsselung des globalen Kohlenstoff-Kreislaufs insbesondere
vor dem Hintergrund des anthropogenen Einflusses durch die Emission
großer Mengen von CO2 in die Atmosphäre. Aktuell gibt es keine
Messsysteme, die die nötige Messgenauigkeit zur Bestimmung von
Quellen, Senken und Flüssen atmosphärischen Kohlendioxids
erreichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der
aktiven Fernerkundung atmosphärischen Kohlendioxids mittels Lidar
theoretisch und experimentell untersucht. Im Vordergrund stand
dabei die Entwicklung eines Differential-Absorptions-Lidars (DIAL).
Der Aufbau und die Charakterisierung einer geeigneten
Laserlichtquelle sowie einer präzisen Wellenlängen-Stabilisierung
stellten zentrale Aspekte dar. Für ein einsetzbares System mussten
darüber hinaus ein Empfangssystem, eine Steuerung und
Datenerfassung sowie Systeme zur Analyse der Strahlqualität
aufgebaut werden. Da die atmosphärische Rückstreuung im verwendeten
Wellenlängenbereich bei 1,57 µm gering ist, wurde das System in der
DIAL-Variante IPDA (Integrated Path Differential Absorption)
verwirklicht, das statt der atmosphärischen Rückstreuung den
Laser-Reflex einer festen Oberfläche verwendet, womit der
CO2-Säulengehalt entlang der Messstrecke bestimmt wird. Als
Laserlichtquelle wurde ein Nd:YAG-gepumptes KTP-OPO-System mit
alternierendem Injection Seeding durch zwei DFB-Laserdioden
verwirklicht. Sensitivitätsstudien anhand von numerischen
Simulationen lieferten Informationen über geeignete
Messwellenlängen, über die maximal erreichbare Messgenauigkeit und
über Anforderungen an das Messsystem. Es ergab sich, dass sich im
Hinblick auf die untersuchten Aspekte die geforderte Genauigkeit im
Subprozent-Bereich erreichen lässt, wobei höchste Anforderungen an
die spektralen Eigenschaften der Laserlichtquelle gestellt werden.
In Testmessungen wurde die erreichbare Messgenauigkeit des
entwickelten Labor-Prototypen untersucht. Es wurden Stärken und
Schwächen des aufgebauten Systems und der Messmethode
herausgearbeitet. So zeigte sich insbesondere, dass die beim
IPDA-Messprinzip notwendige Leistungsreferenz-Messung sowie die
räumliche Laserstrahl-Qualität als kritisch zu betrachten sind. Bei
direkten Vergleichsmessungen mit einem In-situ-Gerät erreichte der
Prototyp auf Anhieb eine Standardabweichung von 2 % bei einem Bias
von unter 10 %. Die erreichte spektrale Qualität der Laserstrahlung
übertraf die aufgestellten Anforderungen. Diese Arbeit liefert
einen Beitrag zum Fortschritt auf dem Gebiet der Entwicklung
aktiver Systeme zur Fernerkundung atmosphärischen Kohlendioxids.